CN104167994B - 一种幅相可调谐式预失真线性化器 - Google Patents
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本发明属于微波线性化技术领域,具体涉及一种幅度相位可调谐式预失真线性化器。本发明的预失真线性化器在二极管预失真线性化工作机理基础上,利用矢量叠加原理,通过相位变化得到不同幅度和相位需求的预失真非线性补偿,克服了传统的串联型和并联型传输式模拟预失真电路只能产生适用于固态功率放大器的预失真信号以及反射式预失真电路大多只能产生适用于微波行波管功率放大器的预失真信号的缺点,同时该线性化器提高了微波预失真电路对所产生的非线性信号幅度扩张与相位扩张程度的控制能力,可以达到精确强非线性幅度和相位补偿。
Description
技术领域
本发明属于微波线性化技术领域,具体涉及一种幅度相位可调谐式预失真线性化器。
背景技术
现代无线通信系统的发展方向是多用户、大容量、更高的信号传输率的高质量通信,使得具有更宽工作频带和更高信息容量的微波通信系统受到日益关注。当前微波通信系统多采用宽带、多载波、复杂数字调制技术,这类调制方式对信道的线性提出了极高的要求,而发射机微波功率放大器是影响信道线性的主要因素。在微波通信系统中,为达到低系统成本和高效率目的,更大程度地发挥系统末级功率放大器性能,末级功率放大器往往要求工作于强非线性状态,因此为了使微波功率放大器在具有足够的输出功率和较高效率的前提下仍具有极高的线性度,则必须采用线性补偿技术,使功放线性化。
微波功率放大器工作在饱和状态就会产生非线性失真,包括非线性幅度失真和非线性相位失真。预失真线性化就是针对功率放大器非线性失真特点,产生与其增益幅度和相位失真相反的非线性信号,与功率放大器本身的非线性进行抵消,得到线性高功率输出。利用非线性器件搭建的预失真电路在完成功放线性补偿的前提下,具有电路结构简单、易于采用常规微波集成电路工艺实现的优点,使其成为了微波系统线性化技术研究的热点之一,肖特基势垒二极管是构造预失真电路最常用的微波非线性器件。微波预失真线性化技术的关键在于非线性预失真信号的产生。研究方法主要有两大类:一种为传输式非线性预失真,即研究传输式的肖特基二极管串/并联结构的预失真信号发生器;一种为反射式非线性预失真,即利用肖特基二极管的非线性特性,配合90°电桥叠加原理,实现预失真信号产生。前者电路结构简单,但是由于信号输入/输出端口直接与非线性器件连接,在大信号工作状态下很难实现匹配要求。后者电路结构较为复杂,虽较好的解决了端口匹配问题,但是难以满足微波强非线性线性化要求。二者共有的缺点是只能补偿某一类功率放大器(固态功率放大器或者真空电子功率器件)的非线性失真,此缺点极大的降低了预失真电路的可调性和可控性,增加了设计成本。
现有传输式非线性预失真线性化技术成果仅适用于同一类功率放大器线性化要求,适用范围较小。[“A novel series diode linearizer for mobile radio poweramplifiers”,作者Yamauchi,K.;Mori,K.;Nakayama,M.;Itoh,Y.;Mitsui,Y.;Ishida,O.Microwave Symposium Digest,1996,IEEE MTT-S International,Volume:2]和[“Amicrowave miniaturized linearizer using a parallel diode with a bias feedresistance”,作者:Yamauchi,K.;Mori,Kazutomi;Nakayama,M.;Mitsui,Y.;Takagi,Tadashi,Microwave Theory and Techniques,IEEE Transactions on Volume:45]分别提出了一种串联型传输式模拟预失真电路和一种并联型传输式模拟预失真电路,研究结果表明只能产生适用于固态功率放大器的预失真信号。而Hee-Young Jeong等人在2005年提出了[“A design of K-band predistortion linearizer using reflective Schottkydiode for satellite TWTAs,”作者:Hee-Young Jeong;Sang-Keun Park;Nam-Sik Ryu;Jeong,Yong-Chae;In-Bok Yom;Young Kim,Gallium Arsenide and Other SemiconductorApplication Symposium,2005.EGAAS2005.European,vol,no.,pp.597,600,3-4Oct.2005]一种结构复杂的微波反射式预失真电路,产生的是用于改善行波管放大器(属于真空电子功率器件)的非线性失真的预失真信号。该电路中所需的90°电桥属于非对称结构,在微波频段难于获得宽带性能;且只通过控制单一的偏置电压实现对预失真信号幅度和相位调节,所产生的预失真信号非线性强度以及幅度和相位控制能力受限,不能满足微波系统强非线性预失真线性化要求。
发明内容
本发明的目的,就是针对上述传统预失真线性化器存在的问题,提出一种幅相可调谐式预失真线性化器。
本发明的技术方案是,如图1所示,一种幅相可调谐式预失真线性化器,包括移相器,移相器的一个端口连接第一并联型传输式模拟预失真电路,其另一个端口连接第二并联型传输式模拟预失真电路;第一并联型传输式模拟预失真电路接射频信号输入端口3,第二并联型传输式模拟预失真电路接射频信号输出端口4;其特征在于,所述移相器包括第一微波器件101和第二微波器件102,第一微波器件101和第二微波器件102的负极相连;第一微波器件101负极和第二微波器件102负极的连接点连接有第一直流偏置控制电路;第一微波器件101的正极通过第二电容502接第一并联型传输式模拟预失真电路;第二微波器件102的正极通过第三电容503接第二并联型传输式模拟预失真电路;第一微波器件101的正极还通过第四射频扼流圈604接地端9;第二微波器件102的正极通过第五射频扼流圈605接地端9。
具体的,所述第一并联型传输式模拟预失真电路包括第一非线性器件201,所述第一非线性器件201的正极通过第四电容504接射频信号输入端口3,其正极还接第二直流偏置控制电路,其负极接地端9;所述第二直流偏置控制电路对第一并联型传输式模拟预失真电路进行独立的直流偏置状态的控制;所述第二并联型传输式模拟预失真电路包括第二非线性器件202,所述第二非线性器件202的正极通过第五电容505接射频信号输出端口4,其正极还接第三直流偏置控制电路,其负极接地端9;所述第三直流偏置控制电路对第二并联型传输式模拟预失真电路进行独立的直流偏置状态的控制。
具体的,所述第一直流偏置控制电路由第一射频扼流圈601、第一偏置电阻701、第一电压源801和第一电容501构成;其中,第一射频扼流圈601的一端接第一微波器件101负极与第二微波器件102负极的连接点,其另一端通过第一偏置电阻701后接第一电压源801的正极,其另一端还通过第一电容501后接地端9;第一电压源801的负极接地端9;所述第二直流偏置控制电路由第二射频扼流圈602、第二偏置电阻702和第二电压源802构成;其中,第二射频扼流圈602的一端接第一非线性器件201的正极,其另一端通过第二偏置电阻702后接第二电压源802的正极;第二电压源802的负极接地端9;所述第三直流偏置控制电路由第三射频扼流圈603、第三偏置电阻703和第三电压源803构成;其中,第三射频扼流圈603的一端接第二非线性器件202的正极,其另一端通过第三偏置电阻703接第三电压源803的正极;第三电压源803的负极接地端9。
具体的,所述第一微波器件101、第二微波器件102均为肖特基变容二极管;所述第一非线性器件201、第二非线性器件202均为肖特基阻性二极管。
与现有的技术相比,本发明具有以下有益效果:
1、根据实际应用中具体功率放大器非线性特性,该幅相可调谐式预失真线性化器通过调节移相器的偏置电压,使预失真信号产生适当的相位延迟,然后通过矢量叠加得到所需的幅度和相位预失真信号,克服了单独的串联型和并联型传输式模拟预失真电路只能产生适用于固态功率放大器的预失真信号以及反射式预失真电路大多只能产生适用于微波行波管功率放大器的预失真信号的缺点,既能够实现对微波固态功率放大器非线性预失真线性化也能够实现对微波行波管功率放大器非线性预失真线性化,适用范围广;
2、相对于传统的二极管式模拟预失真电路,该幅相可调谐式预失真线性化器可分别对移相器和每个非线性器件进行独立的直流偏置状态的控制,增强了微波预失真电路产生的非线性信号的幅度与相位补偿能力的,同时也提高了微波预失真电路对所产生的非线性信号幅度扩张与相位扩张程度的控制能力,可以达到精确强非线性幅度和相位补偿;
3、相对于结构复杂的反射式预失真电路,该可调谐式预失真线性化器结构新颖、结构简单紧凑;同时该预失真线性化器易于加工,可由常规微波混合集成工艺实现,也可由单片集成工艺实现,能够方便的应用于微波频段。
附图说明
图1是本发明混合式预失真线性化器的结构示意图;
图2是由本发明实施例1得到的幅度预失真曲线图;
图3是由本发明实施例1得到的相位预失真曲线图;
图4是由本发明实施例2得到的幅度预失真曲线图;
图5是由本发明实施例2得到的相位预失真曲线图;
图6是由本发明实施例3得到的幅度预失真曲线图;
图7是由本发明实施例3得到的相位预失真曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述
如图1所示,该可调谐式预失真线性化器,包括移相器,所述移相器的两个端口分别与两个并联型传输式模拟预失真电路相连。该可调谐式预失真线性化器的工作过程如下:信号经射频信号输入端口3输入,先经过第一并联型传输式模拟预失真电路,产生初始的预失真信号,然后经过移相器,对初始的预失真信号的相位进行适当的调整,最后调整了的预失真信号通过第二并联型传输式模拟预失真电路,从射频信号输出端口4得到需要的预失真信号。该可调谐式预失真线性化器通过调节移相器的偏置电压,使初始预失真信号产生适当的相位延迟,然后利用矢量叠加得到所需的幅度和相位预失真信号,克服了单独的串联型和并联型传输式模拟预失真电路只能产生适用于固态功率放大器的预失真信号以及反射式预失真电路大多只能产生适用于微波行波管功率放大器的预失真信号的缺点,既能够实现对微波固态功率放大器非线性预失真线性化也能够实现对微波行波管功率放大器非线性预失真线性化,适用范围广;同时该可调谐式预失真线性化器可分别对移相器和每个非线性器件进行独立的直流偏置状态的控制,增强了微波预失真电路产生的非线性信号的幅度与相位补偿能力的,同时也提高了微波预失真电路对所产生的非线性信号幅度扩张与相位扩张程度的控制能力,可以达到精确强非线性幅度和相位补偿;该可调谐式预失真线性化器结构新颖、简单紧凑、易于加工,能够方便的应用于微波频段。
在上述实施方式中,所述移相器的作用是延迟初始预失真信号的相位,可以采用现有的各种结构的电路实现,作为优选的方式是:所述移相器包括第一微波器件101和第二微波器件102以及第一直流偏置控制电路,所述第一微波器件101的负极和所述第二微波器件102负极相连,所述第一直流偏置控制电路对第一微波器件101和第二微波器件102进行独立的直流偏置状态的控制;第一微波器件101的正极通过第二电容502和第一并联型传输式模拟预失真电路相连,第二电容502的作用是隔离移相电路和第一并联型传输式模拟预失真电路,使移相电路和第一并联型传输式模拟预失真电路独立的工作,第二微波器件102的正极通过第三电容503和第二并联型传输式模拟预失真电路相连,第三电容503的作用是隔离移相电路和第二并联型传输式模拟预失真电路,使移相电路和第二并联型传输式模拟预失真电路独立的工作。所述第一直流偏置控制电路的作用是保证偏置电压源输出的直流信号加载于第一微波器件101和第二微波器件102的负极,并防止射频信号进入偏置电压源,可以采用现有的各种控制电路,只要能够调节直流信号的大小即可并防止射频信号进入偏置电压源即可,作为优选的方式是:所述第一直流偏置控制电路包括一端与第一微波器件101和第二微波器件102的负极相连的第一射频扼流圈601,第一射频扼流圈601是用于防止射频信号进入第一电压源,第一射频扼流圈601的另一端通过第一偏置电阻701与第一电压源801的正极相连,并且第一射频扼流圈601的该端还通过第一电容501与接地端9相连,第一电容501能够阻隔直流信号进入接地端9,第一电压源801的负极与接地端9相连,上述第一直流偏置控制电路可以通过对第一电压源801上的直流偏置电压的压值调节获得不同直流偏置条件,从而使初始预失真信号产生适当的相移,同时第一直流偏置控制电路独立于其他偏置电路工作,因此提高了微波预失真电路对所产生的非线性信号幅度扩张与相位扩张程度的控制能力,可以达到更精确的非线性幅度和相位补偿。
在上述实施方式中,所述第一并联型传输式模拟预失真电路和第二并联型传输式模拟预失真电路的作用是对相应的射频信号进行预失真处理,可以采用现有的各种结构的电路实现,作为优选的方式是:所述第一并联型传输式模拟预失真电路包括第一非线性器件201,所述第一非线性器件201的正极通过第四电容504与射频信号输入端口3相连,第四电容504能够阻隔直流信号进入射频信号通路,并且第一非线性器件201的正极与第二直流偏置控制电路相连接,所述第一非线性器件201的负极直接与接地端9相连,第二直流偏置控制电路对所述第一非线性器件201进行独立的直流偏置状态的控制;所述第二并联型传输式模拟预失真电路与第一并联型传输式模拟预失真电路结构类似,所述第二并联型传输式模拟预失真电路包括第二非线性器件202,所述第二非线性器件202的正极通过第五电容505与射频信号输出端口4相连,第五电容505能够阻隔直流信号进入射频信号通路,并且第二非线性器件202的正极与第三直流偏置控制电路相连接,所述第二非线性器件202的负极直接与接地端9相连,第三直流偏置控制电路对所述第二非线性器件202进行独立的直流偏置状态的控制。所述第二直流偏置控制电路是为了保证偏置电压源输出的直流信号加载于第一非线性器件201端口并防止射频信号进入偏置电压源,第二直流偏置控制电路是为了保证偏置电压源输出的直流信号加载于第二非线性器件202端口并防止射频信号进入偏置电压源,所述第一直流偏置控制电路、第二直流偏置控制电路可以采用现有的各种控制电路,只要能够调节直流信号的大小即可并防止射频信号进入偏置电压源即可,作为优选的方式是:所述第二直流偏置控制电路包括一端与第一非线性器件201的正极相连的第二射频扼流圈602,第二射频扼流圈602是用于防止射频信号进入第二电压源,第二射频扼流圈602的另一端通过第二偏置电阻702与第二电压源802的正极相连,第二电压源802的负极与接地端9相连;所述第三直流偏置控制电路与第二直流偏置控制电路结构类似,所述第三直流偏置控制电路包括一端与第二非线性器件202的正极相连的第三射频扼流圈603,第三射频扼流圈603是用于防止射频信号进入第三电压源,第三射频扼流圈603的另一端通过第三偏置电阻703与第三电压源803的正极相连,第三电压源803的负极与接地端9相连。上述第二直流偏置控制电路可以通过对第二偏置电阻702的阻值调节获得不同直流偏置条件,还可以通过对第二电压源802上的直流偏置电压的压值调节获得不同直流偏置条件,上述第三直流偏置控制电路可以通过对第三偏置电阻703的阻值调节获得不同直流偏置条件,还可以通过对第三电压源803上的直流偏置电压的压值调节获得不同直流偏置条件,因此能够大大增强了微波预失真电路产生的非线性信号的幅度与相位补偿能力,同时第二直流偏置控制电路和第三直流偏置控制电路均是独立于其他偏置电路工作,因此大大提高了微波预失真电路对所产生的非线性信号幅度扩张与相位扩张程度的控制能力,可以达到更精确的强非线性幅度和相位补偿。
由于不同的微波器件和不同的非线性器件的特性有所不同,其最后产生的预失真信号也有所不同,为了得到最优的预失真信号,所述第一微波器件101、第二微波器件102均为肖特基变容二极管;所述第一非线性器件201、第二非线性器件202均为肖特基阻性二极管。
实施例
在实施例中,可调谐式预失真线性化器的工作频率为7.9GHz~8.4GHz,为X波段卫星通信上行频率。实例中,变容二极管采用MACOM公司的MAVR1411,肖特基势垒二极管采用MACOM公司的MA4E2037,基片采用Duroid5880,厚度为0.254毫米。Freq代表实施的工作频率,第二偏置电阻702和第三偏置电阻703的阻值用R2表示,V1为第一电压源801输出的电压值,第二电压源802和第三电压源803输出的电压值用V2表示。
实施例1
当Freq=8.15GHz,R2=700Ω,V2=2V,V1=0V~14V时,可以得到如图2所示的幅度预失真曲线和如图3所示的相位预失真曲线。由图可见,在8.15GHz频率处,输入功率在﹣30dBm~﹢20dBm变化范围内,预失真器的传输系数幅度呈非线性增加,增加范围为5dB~10.5dB;预失真器的传输系数相位呈非线性变化,变化范围为-30°~+40°。该实例表示当两个并联型传输式模拟预失真电路在某一偏置状态下,随输入功率增加,调节移相器偏置电压V1=0V~4V,传输系数幅度呈现非线性增加,相位呈现非线性压缩,与固态功率放大器类型的非线性特性相反,可满足微波固态功率放大器预失真需求,调节移相器偏置电压V1=6V~14V,传输系数幅度呈现非线性增加,而相位呈现非线性增加,与行波管放大器类型的非线性特性相反,可满足微波行波管功率放大器预失真需求,本实例表明该可调谐式预失真线性化器适用范围广。
实施例2
当Freq=8.15GHz,V1=0V,R2=700Ω,V2=1V~3.5V时,可以得到如图4所示的幅度预失真曲线和如图5所示的相位预失真曲线。由图可见,在8.15GHz频率处,输入功率在﹣30dBm~﹢20dBm变化范围内,预失真器的传输系数幅度呈非线性增加,增加范围为6dB~16dB;预失真器的传输系数相位呈非线性压缩,变化范围为-12°~-35°。该实例表示当移相器在某一偏置状态下,随输入功率增加,调节两个并联型传输式模拟预失真电路的偏置状态,传输系数幅度呈现非线性增加,相位呈现非线性压缩,与固态功率放大器类型的非线性特性相反,可满足微波固态功率放大器预失真需求,同时本实例表明该可调谐式预失真线性化器对所产生的非线性信号幅度扩张与相位扩张程度的控制能力强,可以达到更精确的强非线性幅度和相位补偿。
实施例3
当Freq=8.15GHz,V1=14V,R2=700Ω,V2=1V~3.5V时,可以得到如图6所示的幅度预失真曲线和如图7所示的相位预失真曲线。由图可见,在8.15GHz频率处,输入功率在﹣30dBm~﹢20dBm变化范围内,预失真器的传输系数幅度呈非线性增加,增加范围为1dB~10dB;预失真器的传输系数相位呈非线性压缩,变化范围为35°~55°。该实例表示当移相器在某一偏置状态下,随输入功率增加,调节两个并联型传输式模拟预失真电路的偏置状态,传输系数幅度呈现非线性增加,相位呈现非线性增加,与行波管放大器类型的非线性特性相反,可满足微波行波管放大器预失真需求,同时本实例表明该可调谐式预失真线性化器对所产生的非线性信号幅度扩张与相位扩张程度的控制能力强,可以达到更精确的强非线性幅度和相位补偿。
Claims (4)
1.一种幅相可调谐式预失真线性化器,包括移相器,移相器的一个端口连接第一并联型传输式模拟预失真电路,其另一个端口连接第二并联型传输式模拟预失真电路;第一并联型传输式模拟预失真电路接射频信号输入端口(3),第二并联型传输式模拟预失真电路接射频信号输出端口(4);其特征在于,所述移相器包括第一微波器件(101)和第二微波器件(102),第一微波器件(101)和第二微波器件(102)的负极相连;第一微波器件(101)负极和第二微波器件(102)负极的连接点连接有第一直流偏置控制电路;第一微波器件(101)的正极通过第二电容(502)接第一并联型传输式模拟预失真电路;第二微波器件(102)的正极通过第三电容(503)接第二并联型传输式模拟预失真电路;第一微波器件(101)的正极还通过第四射频扼流圈(604)接地端(9);第二微波器件(102)的正极通过第五射频扼流圈(605)接地端(9)。
2.根据权利要求1所述的一种幅相可调谐式预失真线性化器,其特征在于:所述第一并联型传输式模拟预失真电路包括第一非线性器件(201),所述第一非线性器件(201)的正极通过第四电容(504)接射频信号输入端口(3),第一非线性器件(201)的正极还接第二直流偏置控制电路,第一非线性器件(201)的负极接地端(9);所述第二直流偏置控制电路对第一并联型传输式模拟预失真电路进行独立的直流偏置状态的控制;所述第二并联型传输式模拟预失真电路包括第二非线性器件(202),所述第二非线性器件(202)的正极通过第五电容(505)接射频信号输出端口(4),其正极还接第三直流偏置控制电路,其负极接地端(9);所述第三直流偏置控制电路对第二并联型传输式模拟预失真电路进行独立的直流偏置状态的控制。
3.如权利要求2所述的一种幅相可调谐式预失真线性化器,其特征在于:所述第一直流偏置控制电路由第一射频扼流圈(601)、第一偏置电阻(701)、第一电压源(801)和第一电容(501)构成;其中,第一射频扼流圈(601)的一端接第一微波器件(101)负极与第二微波器件(102)负极的连接点,第一射频扼流圈(601)的另一端通过第一偏置电阻(701)后接第一电压源(801)的正极,第一射频扼流圈(601)的另一端还通过第一电容(501)后接地端(9);第一电压源(801)的负极接地端(9);所述第二直流偏置控制电路由第二射频扼流圈(602)、第二偏置电阻(702)和第二电压源(802)构成;其中,第二射频扼流圈(602)的一端接第一非线性器件(201)的正极,其另一端通过第二偏置电阻(702)后接第二电压源(802)的正极;第二电压源(802)的负极接地端(9);所述第三直流偏置控制电路由第三射频扼流圈(603)、第三偏置电阻(703)和第三电压源(803)构成;其中,第三射频扼流圈(603)的一端接第二非线性器件(202)的正极,其另一端通过第三偏置电阻(703)接第三电压源(803)的正极;第三电压源(803)的负极接地端(9)。
4.根据权利要求3所述的一种幅相可调谐式预失真线性化器,其特征在于:所述第一微波器件(101)、第二微波器件(102)均为肖特基变容二极管;所述第一非线性器件(201)、第二非线性器件(202)均为肖特基阻性二极管。
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